1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化光伏并网发电模拟装置的设计一、课题研究意义及现状尽管寻找新能源的工作已经有相当的历史了，但是世界性的环境污染和能源短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。目前我们主要使用的能源还是以化石燃料为主和可再生能源，新能源并存的多样话能源格局。能源的大量开采势必要带来一系列的问题。能源问题已经是全球最关注的问题之一，就目前来看，光伏发电还存在许多的技术瓶颈，例如效率不高，价格昂贵，但是它作为一种不需要矿物能源的无尽资源，通过不断改良创新技术，光伏发电终有一天会取代传统发电。我国是世界
2、上主要的能源生产和消费大国之一，也是少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，提高能源利用效率，调整能源结构，开发新能源和可再生能源是实现我国经济和社会可持续发展在能源方面的重要选择。我国是世界上太阳能资源丰富的国家之一，全年辐射总量在 91.7、2333 千瓦时/平方米，太阳能理论总储量为 147、100000000 吉千瓦/年，从理论上讲，除去农田、草原、森林、河流、湖泊、道路等，在任何荒地和建筑上都可以安装光伏组件，特别是在总辐射量和日照时数量最为丰富的西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古、宁夏等省区。我国的并网光伏发电起步较晚，近年发展很快，截止 2003 年底，全国共有大中型太阳能光伏电站 80
3、0 多座，己累计安装光伏系统 45M、v，太阳能光伏并网系统不到 or 多个。在国家科技部“九五”和“十五”科技攻关计划中初步开展了屋顶并网光伏发电系统的技术开发和试点示范研究，并取得进展。这些进展表明我国己初步掌握了并网光伏发电系统的关键技术，包括 CVT、最大功率跟踪控制技术、并网逆变技术、系统的实时数据采集和数据传输技术等，具备了设计和建造实用的一定规模的并网光伏发电系统的能力。为了快速推进我国光伏和其它可再生能源产业和事业的发展，国家己经拟定了可再生能源法，并于近期出台，积极为可再生能源的开发和利用提供优惠政策和财政补贴，相信光伏发电在我国得到全面发展和兴旺的时代已经来临。二、课题研究
4、的主要内容和预期目标课题研究主要内容：本课题主要研究一种光伏并网发电模拟装置的设计。本课题需要在学习逆变电路的一些基本拓扑和基本控制方法的基础上，实现对光伏电压进行逆变并且并入模拟电网以达到具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，相对偏差的绝对值不大于 1% ，具有频率跟踪功能，相对偏差绝对值不大于 1%，输出电压的失真度 THD5%，具有输入欠压保护功能，具有输出过流保护功能的技术指标。课题研究的预期目标：本课题要求完成光伏发电模拟装置的硬件电路设计，软件编程利用 C 语言编写程序用于对 SPWM 波形产生以及数据的采集和控制功能本系统的输出正弦波的指标达到了题目设计所需要的要求。三、课题研究的
5、方法及措施课题研究主要包含三个步骤：一是查找相关资料了解课题相关内容，进行理论分析；二是软件设计，产生 SPWM 波，本课题选用规则采样法，画出软件程序设计方案及实现的流程图；三是硬件实现，熟悉单片机及其应用，制作相应得电路板。具体方案如下：硬件部分：采用全桥型升压变换，结构简单，容易实现，采用变压器，可起到隔离输入输出信号，且做到输入输出电压宽，占空比合适；采用双管推挽自耦变压器，使得两管轮流导通，提高效率；同时起着开关作用。全桥逆变DC-AC电源输入 滤波过流保护控制电路电压反馈变压器负载软件部分：对于一个完整的正弦波，通过规则采样法的公式进行计算，可以得到在一个周期以内，每个脉冲的宽度间
6、隙，本系统需要产生 45-55HZ 的正弦波信号，输出频率的范围并不是很大，因此可以先将所需 SPWM 波的占空比参数提前存储在单片机的内存中，通过定时器的溢出中断，依次不断的连续加载，便得到相应的 SPWM 波。改变输出正弦波的频率，只需要改变定时计数器的上限值，即改变双斜波的频率。四、课题研究进度计划毕业设计期限：自20010年9月18至2011年5月18日。2010.9.182010.10.13 ：选择毕业设计题目。2010.10.142010.10.23 ：填写选自申报表。20010.10.242010.11.20 ：完成开题报告，外文翻译，开题报告的填写。2010.11.212011
7、.3.19 ：设计课题，撰写毕业论文。2011.3.222011.4.2 ：设计作品的完善，论文的修改。2011.4.62011.4.17 ：准备答辩，准备答辩ppt。2011.5.162011.5.18 ：提交所有相关资料。五、参考文献1 曲学基,曲敬凯,于明扬.逆变技术基础与应用M.北京:电子工业出版社,2007,1.2 沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术M.上海:化学工业出版社,2005,9.3 陈维,沈辉,邓幼俊等.光伏发电系统中逆变器技术应用及展望J.电力电子技术，2006,40(4):130-1344 赵争鸣,刘建政,孙晓瑛.太阳能光伏发电及其应用M.北京:科学出版社,2005,l0
8、.5 袁晓,赵敏荣.太阳能光伏发电并网技术的应用J.上海电力,2006,19(4):342-347.6 Johanna M ANovel Inverter Topologies for Single-Phase Stand-Alone or Grid-Connected Photovoltaic Sys-ternsCIEEE International Conference. 2001,1:103-108.7 Guan-Chun ，Phase- Locked Loop Techniques- A Survey，IEEE，Trans. On Eclectic.1996，P609-615.8 王志
9、刚.现代电子线路第四版M.北京：清华大学出版社，2008.9 胡寿松.自动控制原理(第三版 )M.北京：国防工业出版社， 1994 .10 翁双安.供电工程M.北京：机械工业出版社，2004. 11 林渭勋等.电力电子技术基础M.北京：机械工业出版社，2002.12 王兆安等.电力电子技术M. 北京：机械工业出版社,2009.毕业论文文献综述电气工程及自动化光伏并网发电系统的研究摘要：随着全球范围内能源紧缺和安全问题的日益突出，不久的将来太阳能作为一种不断循环永不枯竭的能源 PVPC(Photovoltaic Power Conditioner)将成为主要的能源来利用光伏并网逆变主电路的特点，
10、将光伏并网的发电控制与无功补偿、有源滤波相结合，在有效地进行光伏并网发电的同时，还可以对电网中的无功和谐波进行补偿或抑制，进而提高电网供电质量和能力，并减少线路损耗，该系统的使用可以节省相应设备的投资，拓宽了光伏并网发电的应用范围，具有广阔的发展前景。 本方案的电路主要由模拟光伏电池、整流滤波、DC-AC 变换、控制系统等组成。输入的电压经过整流滤波变成直流电压 60V，然后经过正弦脉宽调整（SPWM）的方式全桥逆变，再经过 DC-AC 逆变电路经过整理滤波，输出满足题目所要求的正弦波。关键词：光伏并网 交直流逆变 SPWM 波一、光伏并网发电对未来电网的影响目前，能源问题已经是全球最关注的问
11、题之一，目前我们主要使用的能源还是以化石燃料为主和可再生能源，新能源并存的多样话能源格局。能源的大量开采势必要带来一系列的问题。环境被污染，人们的居住环境受到了极大的破坏，对人们的日常生活造成的了影响；能源不足，使得经济不能健康，顺利的发展，人民生活质量不能保障；能源分布不公，某些霸权国家将会以此为借口发动一系列的掠夺能源的战争，使得人们朝不保夕。除此之外由于能源的缺少还造成许许多多的问题，总结一句话即能源与人们生活息息相关。迫于此现象，开发一种无污染，高效的新能源是当务之急。太阳能作为一种新世纪无污染，可再生的新能源起了至关重要的作用。光伏发电就是其中之一。光伏并网发电将太阳能转化为电能馈送
12、给电网，是太阳能未来利用的重要方面，具有重要的战略意义，西方发达国家已投入一定的力量进行了开发和研究，美国、欧洲、日本等国家已实施了光伏屋顶计划并取得了一定的成果。光伏并网系统的研究和开发在国内目前尚处于起步阶段。 “九五”期间，国家科技部曾将太阳能屋伏并网系统列为国家科技攻关项目。不过就目前来看，光伏发电还存在许多的技术瓶颈，例如效率不高，价格昂贵，但是它作为一种不需要矿物能源的无尽资源，通过不断改良创新技术，光伏发电终有一天会取代传统发电。二、光伏发电的基本原理、太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组，光伏系统电池控制器，蓄电池和交直流逆变器是其主要部件如图 1，
13、其中的核心元件是光伏电池组和控制器。各部件在系统中的作用是： 光伏电池：光电转换。 控制器：作用于整个系统的过程控制。光伏发电系统中使用的控制器类型很多，如 2点式控制器，多路顺序控制器、智能控制器、大功率跟踪充电控制器等，我国目前使用的大都是简单设计的控制器，智能型控制器仅用于通信系统和较大型的光伏电站。AVR 单片机是具有精简指令结构的单片机，且采用哈弗总线结构，具有较高的运算速度，最高可以达到 16MIPS。一般来说所有的 AVR 单片机都带有 PWM 输出,AD，USART 等常用的资源，并且价格相对低廉。AVR Studio 作为其 IDE 开发环境，可以便捷的进行下载和仿真等功能。
14、更具本题的要求，产生 SPWM 波以及进行参考电压的频率测量，已经需要 2 个 16 位的定时器了，同时考率到系统软件设计所需要的资源，通过选择，故采用 MEGA128 单片机作为本系统的控制部分的 MCU。蓄电池：蓄电池是光伏发电系统中的关键部件，用于存储从光伏电池转换来的电力。目前我国还没有用于光伏系统的专用蓄电池，而是使用常规的铅酸蓄电池。 交直流逆变器：由于它的功能是交直流转换，因此这个部件最重要的指标是可靠性和转换效率。并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把光伏电池转换的电能送入电网。即采用半桥型升压变换，结构简单，容易实现，但效率一般电压调节范围不宽。在输入电压变化大时为实现
15、稳压，占空比过高，会造成开关管的过载烧毁，且单端变换纹波系数大,对快速整流管要求高DC/DC变频器DC/AC逆变器 负载太阳能电池太阳能电池变频器DC/DC变频器DC/AC逆变器电网电网图 1 光伏并网系统主电路结构图2、光伏电网局限性任何事物总是具有两面性。目前有太多的文章介绍光伏发电的优点和优势，这里有必要指出光伏发电的一些局限性。太阳能具有能量密度低,稳定性差的弱点,并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响。光伏发电的局限性包括以下几个方面： 1. 时间周期局限。由于光伏发电的条件是出太阳时，光伏发电设备才能正常工作发电。因此，白昼黑夜，一年当中春夏秋冬各个季节对光伏发电的负荷影响巨大。
16、为了应付这个情况，电网不得不配备相应容量的发电机处于旋转备用状态。2. 地理位置局限。光伏发电设备基本上只能依附建筑物安装建设，也就是所谓的光伏屋顶就地供电。如果离开建筑物来建设光伏发电，将会大大增加成本或者破坏环境和生态。3. 气象条件局限。气候对光伏发电影响。采用光伏并网发电无蓄电池方案时，如果一个城市上空的气候大幅变化，将造成电力负荷的大幅波动；当一个城市上空的空气质量比如空气污染，或能见度变差比如雾天，阴天等都将使光伏发电在线或实时出力下降。4. 容量传输局限。在解决了光伏发电的成本问题后，大功率，高电压，远距离从荒漠面积输送电力到负荷中心，由于光伏发电没有传统电机的旋转惯量，调速器及
17、励磁系统，将给交流电网带来新的经济和稳定问题。不论采用交流或是直流高电压大功率远距离从荒漠地区输送电力，由于上述1，2，3的局限性将大大增加单位千瓦的输送成本。下面将会讨论这个问题。5. 光能转换效率偏低。和传统能源（矿物能源，石油，水能，原子能，等）的转换效率相比，光伏能量的转换效率不能令人满意。太阳的能量对人类而言几乎是无限的，但是实际上，在地球上能够获取太阳能资源的资源是有限的。并不像有些文章中所说的那样巨大。例如，当我们在在屋顶安装太阳能热水器时，就失去了安装太阳能电池的机会。除建筑物和荒漠外，在其他地点建设太阳能电池板群将是不现实和得不偿失。这不仅仅是因为成本巨大的原因，问题是显而易
18、见的，主要的问题是离开建筑物和荒漠来建设光伏发电站将破坏环境和生态，你会发现在太阳能电池板下面将寸草不生。总之，节能降耗是人类的一个永恒话题。从某种意义上讲，淘汰旧技术和产品的同时，也就浪费掉了当初生产这些技术和产品的能源。出国考察的人往往会发现，西方发达国家有些场合还在使用20-30年代的产品和设备，他们并非要保护“古迹”，某种意义上讲是在节约能源。新旧产品和技术的换代是要以耗费能源为代价的，过快的产品更新换代，将加快能源的消耗。当然，这里需要有一个总体的经济指标来判断能耗。三光伏发电的前景能源是发展国民经济，提高人民生活水平的重要物质基础。随着经济的发展，人口的增加，使得能源消耗快速增长，
19、从而带来了能源短缺、环境污染、生态恶化，这些问题己成为当今世界各国面临的一个重大问题。开发新能源和可再生能源，实现经济可持续发展，已成为世界各国的共识。在当今工业自动化社会中，电能起着十分重要的作用，人均消耗的电能量已成为衡量一个国家实力的重要指标。为了高质量，有效地使用电能，生产的总电能中，越来越多的电能必须经过电力电子技术实行能量变换后，再用于工业和军事的需要。因为，它对节能、减小环境污染，改善工作条件，节省原材料，降低成本和提高产量等方面均起着十分重要的作用。光伏发电的优势在于解决离网地区通信，微波等设备的能源动力，分散人口地区的小容量电力消费及为有条件建立光伏屋顶的建筑就地提供电力。未
20、来电网在做发展规划时，对负荷预测应充分考虑离网光伏发电和光伏并网发电对电网的影响和数学模型。离网光伏发电系统可以作为在线有源可变负荷模型来考虑。光伏并网发电系统如果以 110V 或 220V 并网供电时，也可以把光伏并网发电系统考虑为可从负到正变化的有源负荷模型。今后光伏并网发电的广泛应用不仅局限于城市，也会应用于边远的乡村，边远的乡村供电一般处于虚弱电网的末梢，用户负载的无功功率会对电网电压产生较大影响，对负载的无功补偿最好是就地予以补偿，如果采用专用的有源滤波和无功补偿设备，其补偿特性和效果是良好的，但这需要增加额外投资。光伏并网功率调节器一般采用的是电压型逆变主电路，该主电路可以实现有源
21、滤波和无功补偿的控制，并在实际中已经得到了广泛研究和应用，将光伏并网的发电控制与无功补偿、有源滤波控制相结合，构成并网发电、无功补偿和有源滤波的一体化控制系统，这样不仅可以有效地进行光伏发电、提高供电质量和减少功率损耗，而且可以节省相应设备的投资。参考文献1 曲学基,曲敬凯,于明扬.逆变技术基础与应用M.北京:电子工业出版社,2007,1.2 沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术M.上海:化学工业出版社,2005,9.3 陈维,沈辉,邓幼俊等.光伏发电系统中逆变器技术应用及展望J.电力电子技术，2006,40(4):1301344 赵争鸣,刘建政,孙晓瑛.太阳能光伏发电及其应用M.北京:科学出版社
22、,2005,l0.5 袁晓,赵敏荣.太阳能光伏发电并网技术的应用J.上海电力,2006,19(4):342-347.6 Johanna M ANovel Inverter Topologies for Single-Phase Stand-Alone or Grid-Connected Photovoltaic Sys-ternsCIEEE International Conference.2001,1:103-1087 Guan-Chun ，Phase- Locked Loop Techniques- A Survey，IEEE，TransOn Eclectic.1996，P609-6158 王志刚，现代电子线路第四版M.北京：清华大学出版社，2008, P54-639 胡寿松，自动控制原理(第三版) M.北京国防工业出版社， 1994，P117-11910 翁双安，供电工程M .北京：机械工业出版社，2004，P118- 195 11 林渭勋等，电力电子技术基础M.北京：机械工业出版社，2002，P264 一 P265 12 王兆安等，电力电子技术M，北京：机械工业出版社,2009(6)，P132-146 毕业设计（20_ _届）光伏并网发电模拟装置的设计
